DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONTROLADOR DETEMPERATURA PARA INCUBADORA.

A.R. San Vicente J.A. AcostaInstituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

Campus Estado de México

Km 3.5 Carretera Lago de Guadalupe. Atizapán, Edo. de Méx. 52926

asanvice@campus.cem.itesm.mx

RESUMEN

En el siguiente trabajo se presenta el diseño electrónico deun controlador de temperatura digital, para el control deincubadoras de infantes, el rango de control es de 20 a 45.5°C y la resolución de 0.1°C, se presentan también elalgoritmo de control y los resultados obtenidos.Se utiliza un microcontrolador MC68HC11A1 [1] comoprocesador, el algoritmo utiliza una combinación deacciones de control que actúan de acuerdo a la “lejanía” quehay entre la temperatura en la incubadora y la temperaturadeseada, las acciones de control utilizadas son Todo/Nada(T/N), Proporcional (P) y Proporcional Integral (PI) .

Palabras clave: Control temperatura incubadoraMC68HC11 proporcional-integral.

1. INTRODUCCIÓN

El controlador fue solicitado por Instituto Mexicano delSeguro Social, Hospital Gineco-Obstetricia del CentroMedico La Raza. Para un programa de rehabilitación deequipos médicos.

Hemos diseñado, construido y puesto en operación uncontrolador digital de temperatura que sustituye y mejora alcontrolador analógico de una incubadora para infantemarca: Isollette, Mod: C86.

El principal impacto del diseño en la atención hospitalariapediátrica radica en la sustitución de tecnología extranjeraobsoleta por tecnología de punta desarrollada en México y aun precio muy competitivo. Este modelo de incubadora esel que se tiene en casi todos los hospitales del InstitutoMexicano del Seguro Social que cuentan con el servicio depediatría La rehabilitación de estas incubadoras tiene unprecio competitivo al compararlo con el costo de adquirirequipo nuevo. Además de que el servicio que presta elequipo rehabilitado es muy eficiente tal como se hademostrado en todos los saños que lleva operando con unmínimo de mantenimiento.

El modelo C86 se desarrolló en la década de los setentas yestá basado en tecnología de elementos dicretos. Utiliza unaresistencia calefactora de 200 W para calentar el aire que seinyecta a la cámara del infante. El control de temperatura serealiza por medio de un termistor como elemento primario,un rectificador controlado de silicio como elemento final decontrol y un circuito amplificador a base de transistores que

hace las funciones del control proporcional. Debido a que eldiseño de esta incubadora ha resultado muy eficiente yduradero, su uso se ha extendido ampliamente en México ytodavía en estas fechas se les da mantenimiento preventivoy correctivo. Una desventaja de este modelo es que susrefacciones se han encarecido demasiado debido a quealgunas partes ya no se fabrican en grandes cantidades,como ejemplo podemos citar el galvanómetro indicador devoltaje a la resistencia. De aquí la necesidad de modificar eldiseño para actualizarlo.

2. METODOLOGÍA

El intervalo de la temperatura a controlar fluctúanormalmente entre 36 y 38 °C siendo 37°C la temperatura ala que se ajustan la mayoría de las incubadoras de infantes.De acuerdo a datos experimentales se encontró que en uncontrol puramente Todo-Nada (T/N) al cortar latemperatura exactamente a los 37°C con una temperaturaambiente de 20°C la incubadora (sistema) presentaba unsobre tiro de aproximadamente 1°C, con este algoritmo decontrol T/N el sistema se mantenía oscilando entre más omenos 1°C es decir entre 36 y 38 °C en los primerosperiodos, figura 1.

Fig. 1. Las gráficas se obtuvieron de manera experimental tabulando latemperatura en función del tiempo.

Aprovechando la experiencia anterior, se utilizóposteriormente un algoritmo proporcional con una bandaproporcional de 2°C, se encontró que moviendo la ordenadaal origen de la banda proporcional, una resistencia eléctricade calentamiento típica mantiene latemperatura con un 45% de la energía a una temperatura

ambiente de 20°C,por lo tanto, se decidió utilizar una bandaproporcional centrada en la temperatura de control, figura2.

Analizando la recta:

La energía aplicada al calefactor (E) esta dada por

E = mT +b

en donde m es la constate proporcional (Kp) y esta dada por

m = 100% de E/(SP-n - SP+n),

SP es la temperatura de control,

(SP-n - SP+n) es el ancho de la banda proporcional,

T es la temperatura de error y esta dada por,

T = Tmedida – SP,

b es la energía cuando el error es cero,

En términos del control proporcional,

E = Kp error +b

Fig. 2. Banda proporcional

Al experimentar con dicho controlador se obtuvo unarespuesta de temperatura que llega rápidamente a latemperatura de control, genera un sobre tiro menor de 1°C yse mantiene en la temperatura de control (37°C) con un atemperatura ambiente de 22°C y generándose un error enestado permanente dependiendo de la temperaturaambiente, figura 1.Al introducir la parte integral al control, se obtuvo laeliminación del error en estado permanente. La parte

integral se introduce afectando directamente a la ordenadaal origen de la recta del control proporcional, moviendo deesta forma la recta sin cambiar la pendiente (Kp). Al ircambiando la temperatura ambiente con el día y la noche, elcontrol mantuvo un error de mas menos 0.4°C, paratemperaturas de control de 35 a 39 °C la respuesta aperturbaciones de tipo escalón generadas al abrir algúnacceso para manipular al bebé, también presentaron unarespuesta en tiempo aceptable de acuerdo a losrequerimientos del hospital. En la figura 3 se muestra el

conjunto de acciones de control generadas a partir de laexperiencia obtenida con la incubadora .

Fría Normal Caliente

Fig. 3. Forma gráfica del algoritmo de control

3. RESULTADOS

El elemento calefactor de la incubadora es una resistenciaeléctrica. La cantidad de calor que ésta genera depende dela energía que se le proporciona en forma de voltajeeléctrico, la cantidad de energía proporcionada a laresistencia se controla con un triac. Se detecta el cruce porcero de la línea de alimentación para sincronizar el disparoa la señal de voltaje de 110 volts a 60 Hz, tal como semuestra en la figura 4. Como se utilizan interrupciones porflancos de bajada, después de que se detecta la interrupciónse genera un retardo de tal manera que el rango de controlen términos temporales y no en términos de ángulos dedisparo es de 6.4 ms. En este caso es preferible tenerreferido el disparo en función del tiempo ya que se utilizaun temporizador interno del microcontrolador para generarlos disparos un instante de tiempo después del cruce porcero.

Fig. 4. Cuadratura de la señal de voltaje

Como la interrupción llega antes del cruce por cero la señalde disparo se apaga justamente cuando se interrumpe elmicrocontrolador, lográndose de esta manera que se apagueel triac[2] oportunamente, figura 5

En términos de cuentas del temporizador interno delmicrocontrolador 6.4ms equivalen a 3200h (Cuentas enhexadecimal) y el resto del periodo 1.9ms a 60h (cuentas enhexadecimal), la resolución del convertidor análogo digital(ADC) del microcontrolador es de 8 bits y elacondicionador del sensor entrega un dígito binario porcada décima de grado centígrado, de tal manera que, elrango de control es de 20.0 a 45.5 °C considerando los 255pasos del ADC.

Figura 5. Modulación de la energía

En términos del contador y del ADC del microcontroladorla ecuación de control en el intervalo de temperatura normalqueda:

100% de E = 3200 cuentasn = 1°C = 10 décimas de grado = Ah (hexadecimal)

(3200 – 0)/(SP-A – SP+A)

Kp= - 3200/14 h = 280h

b = 1900h

Finalmente la parte proporcional en hexadecimal queda :

Ep = -280error + 1900

Agregando la parte integral:

Ei = Ki error

por lo tanto

E = Ep+Ei = -280 error

Es importante indicar que el período de integración delsistema es de 5 minutos y que la Ki es de Fh (15 endecimal) y se obtuvieron de manera experimental.

De esta manera una vez que la temperatura del proceso seencuentra en el rango de mas menos un grado de latemperatura de control se aplica el siguiente algoritmo.

tEp Ep

Ep+Ei Ep+Ei

t = 5minutos

4. CONCLUSIONES

Desde 1995 se han venido rehabilitando incubadoras deacuerdo a las necesidades del Hospital, el armazón de lasincubadoras se han aprovechado requiriéndose únicamenteuna inversión de $1,000 Dólares, que en mucho no secompara con el costo de $10,000 Dólares de unaincubadora nueva.Los accidentes por sobrecalentamiento o enfriamiento delos infantes se han eliminado ya que una vez que laenfermera selecciona por medio de un teclado latemperatura de control el cual se almacena de manerapermanente en una memoria no volátil (EEPROM), elcontrolador no requiere de ningún ajuste.Las alarmas de alta y baja temperatura alertan a lasenfermeras sobre todo cuando por olvido dejan abierto elcapacete y la temperatura baja.Ninguna de las tarjetas han requerido mantenimientoscorrectivo desde que se instalaron.

REFERENCIAS

[1] Motorola, “HC11 Reference Manual”, Motorola INC , 1991.[2] T. J. Maloney, “Electrónica Industrial”, Prentice Hall., primer

edición en español, pp.191-226, 1983.

DESIGN AND DEVELOPMENT OF TEMPERATURECONTROLLER FOR INCUBATOR.

ABSTRACT

This work shows the electronic design of a digital temperature controller for the control ofinfants incubators. The control range is from 20 to 45.5 °C with resolution of 0.1°C. Itshows the control algorithm and the obtained results. A microcontroller, MC68HC11A1, isused as signal processor. The algorithm uses a combination of control actions according tothe “distance” that there is among the temperature in the incubator and the wantedtemperature. The used control actions are All/Nothing (T/N), Proportional (P) andProportional Integral (PI).